La risoluzione della stampa 3D è un argomento di discussione molto frequente, ma spesso frainteso. La varietà di tecnologie di stampa 3D e il numero crescente di aziende produttrici hanno complicato ulteriormente la questione, e con l'introduzione delle stampanti 3D a stereolitografia mascherata (MSLA), che utilizzano uno schermo LCD per mascherare selettivamente la luce e polimerizzare solo aree specifiche della resina liquida esposta, si è aggiunto un altro elemento al dibattito. Le stampanti 3D MSLA stanno diventando molto popolari per la loro capacità di stampare rapidamente parti di alta qualità.
La risoluzione degli schermi LCD è determinata dal numero di pixel presenti sull'asse lungo, un parametro ormai familiare al pubblico grazie al diffuso utilizzo di schermi digitali su telefoni, televisori e tablet. Oltre al numero di pixel, si pone l'accento anche sulla dimensione del singolo pixel, del quale si afferma che tanto più è piccolo, tanto più alta è la risoluzione.
Tuttavia, sebbene il numero di pixel e la dimensione dei singoli pixel siano importanti, ciò che realmente interessa all'utente è la resa effettiva di una stampa 3D in termini di finitura superficiale, accuratezza dimensionale e dimensioni minime dei dettagli. Nonostante la dimensione dei pixel sia fondamentale per raggiungere questi risultati, la resa dipende da un'ampia gamma di fattori come proprietà dei materiali, impostazioni ottiche, uniformità meccanica e molto altro.
Stampando e analizzando diverse parti realizzate con la Form 4 (MSLA desktop, dimensione dei pixel pari a 50 µm, schermo 4K da 10 pollici), la Form 3+ (SLA basata su laser con dimensione del punto laser pari a 85 µm), la stampante C (MSLA desktop, dimensione dei pixel pari a 28 µm, schermo 8K da 9 pollici) e la stampante D (MSLA desktop, dimensione dei pixel pari a 19 x 24 µm, schermo 12K da 9 pollici), dimostreremo che il comune parametro della risoluzione non ha un effetto diretto sui risultati tangibili delle parti stampate.
Sebbene la Form 4 sia caratterizzata da una dimensione dei singoli pixel superiore a quella degli apparecchi di alcune aziende concorrenti, i risultati dei test dimostrano che consente di ottenere finitura superficiale, accuratezza dimensionale e dimensioni minime dei dettagli paragonabili, se non superiori, a quelle delle stampanti 3D MSLA con una dimensione dei pixel inferiore. L'aver trovato il giusto equilibrio ha permesso al nostro team di ottimizzare altri parametri della Form 4 che sono importanti per la clientela: velocità più elevata, maggiore affidabilità e vita utile dei componenti sostanzialmente più lunga.
Caratteristiche di produzione: aspetti importanti delle parti stampate in 3D
Il design delle stampanti, che include tra i parametri di input la dimensione dei pixel, influisce su tre caratteristiche principali delle parti stampate. Queste caratteristiche, ovvero finitura superficiale, dimensioni minime dei dettagli e accuratezza dimensionale, sono misurabili e standardizzate. Tuttavia, essendo legate a una complessa combinazione di processi e componenti, risultano più difficili da descrivere. Un pixel di dimensioni leggermente maggiori non è importante quanto la qualità, la consistenza e l'uniformità della luce che maschera o lascia passare.
Ciascuna di queste caratteristiche può essere notevolmente influenzata da quasi tutti gli aspetti chiave del sistema, tra cui ottiche, materiali, processo di stampa e relativi parametri. Non è possibile associare direttamente un singolo parametro di input del sistema a un singolo output, se non come valore limite.
Ad esempio, la dimensione dei pixel o del punto laser stabilisce un limite minimo alle dimensioni dei dettagli positivi nel piano orizzontale. In altre parole, non è possibile avere un dettaglio positivo di dimensioni inferiori a quelle dei pixel o del punto laser. Tuttavia, in linea di massima, le dimensioni minime dei dettagli superano di gran lunga questo limite (spesso sono superiori a 100 µm) a causa di molteplici fattori, come le forze di distacco.
| Descrizione | Misurazione | Parametri chiave | |
|---|---|---|---|
| Finitura superficiale | Il grado di levigatezza, effettivo o apparente, di una superficie | Misurazione visiva/qualitativa con misuratore della ruvidità superficiale (Ra) | Spessore dello strato Proprietà ottiche della resina Uniformità del processo tra uno strato e l'altro |
| Dimensioni minime dei dettagli | Il più piccolo dettaglio di un certo tipo che può essere prodotto. Dipendono molto dal tipo di dettaglio. | Calibri Macchina di misura a coordinate Scanner 3D | Proprietà meccaniche della resina PSF ottica |
| Accuratezza dimensionale | L'accuratezza con cui viene riprodotta la geometria desiderata | Calibri Macchina di misura a coordinate Scanner 3D Calibri a perno Altri test dell'aderenza | Temperatura Ripetibilità meccanica Uniformità ottica |
Input di risoluzione
Le stampanti 3D a resina sono dotate di un laser (SLA basata su laser), un proiettore di luce digitale (DLP) o di una Light Processing Unit (in genere uno schermo LCD) che maschera selettivamente una fonte luminosa come una serie di LED (MSLA).
Le stampanti 3D SLA basate su laser solitamente offrono risoluzioni molto elevate perché il laser può essere controllato con precisione nel piano XY e ha un punto di dimensioni ridotte. Tuttavia, queste caratteristiche sono solo un input: le dimensioni minime effettive dei dettagli sono comunque influenzate da molteplici fattori, per cui le misure sono equivalenti a quelle delle stampanti MSLA professionali che non utilizzano un laser. Inoltre, le stampanti SLA basate su laser hanno spesso tempi di stampa superiori a causa della necessità di tracciare il punto laser sull'intero strato.
Nella stampa 3D DLP, la risoluzione XY è determinata dalla dimensione del pixel, il particolare più piccolo che il proiettore può riprodurre su un singolo strato. Questo dipende dalla risoluzione del proiettore, la più comune è full HD (1080p), e dalla sua distanza dalla finestra ottica. Di conseguenza, la maggior parte delle stampanti 3D DLP desktop ha una risoluzione XY fissa, generalmente compresa tra 35 e 100 micron.
La risoluzione delle stampanti 3D DLP diminuisce all'aumentare del volume di stampa, perché non sono disponibili proiettori con un numero di pixel significativamente maggiore. Pertanto, le aziende produttrici devono aumentare la distanza dalla fonte di luce a parità di numero di pixel, con conseguente diminuzione della risoluzione e della qualità di stampa.
Dimensione dei pixel e funzione di diffusione del punto (PSF)
Finitura superficiale, dimensioni dei dettagli e accuratezza dipendono da ogni componente della stampante 3D e del suo processo. Singoli input, come la dimensione dei pixel, possono definire limiti teorici minimi che non si riscontrano in situazioni realistiche. Ad esempio, una dimensione dei pixel o del punto laser di 80 micron potrebbe teoricamente costituire un fattore limitante nella polimerizzazione di un dettaglio positivo (come il diametro di un perno cilindrico), tuttavia, la trazione esercitata sulla parte dalle forze di distacco la danneggerebbe, rendendo necessario realizzare i perni con un diametro minimo di circa 500 micron.
Nelle stampanti 3D MSLA che utilizzano schermi LCD per mascherare la luce, l'immagine effettiva proiettata sulla resina è in genere molto più grande e diffusa rispetto al pixel originale. Questo effetto è noto come funzione di diffusione del punto (PSF), che è il modo in cui un'immagine originale o idealizzata viene sfocata dal processo di proiezione. Pertanto, nelle stampanti MSLA, la dimensione dei pixel non è importante quanto la distribuzione della potenza e la forma della luce quando colpisce la resina.
Confrontando la PSF della Form 4 (con la luce proiettata attraverso uno schermo LCD composto da pixel di 50 µm) con quella della Form 3 (con la luce proveniente da un laser con un punto di 80 µm), le immagini relative alla PSF mostrano che la luce della Form 4 è concentrata e diretta e che l'energia più elevata si concentra al centro del pixel.
Confrontando la funzione di diffusione del punto (PSF) della Form 4 con quella della serie Form 3, è possibile notare che entrambe le stampanti producono una luce molto concentrata e raggruppata al centro del pixel o del punto laser, determinando una risoluzione elevata.
Risultati dei test e conclusioni
Finitura superficiale
La finitura superficiale è importante, poiché incide non solo sull'aspetto di una parte, ma anche sulla sua capacità di integrarsi in un assemblaggio esistente o di funzionare come stampo. La finitura superficiale può essere misurata a occhio, osservando quanto le parti appaiono lisce, o utilizzando un misuratore della ruvidità superficiale (Ra). Oltre alla dimensione dei pixel o del punto laser, altri aspetti che influiscono sulla finitura superficiale sono lo spessore dello strato sull'asse Z, le proprietà ottiche della resina e l'uniformità del processo tra uno strato e l'altro (distacco e compressione).
A occhio nudo, la finitura superficiale è pressoché identica. Le superfici curve appaiono lisce, i bordi sono netti e i dettagli positivi e negativi o incisi sono ben definiti. Il testo in rilievo è dettagliato, facile da leggere e sollevato uniformemente rispetto alla superficie.
Stampante A: Form 4 (MSLA)
- Dimensione dei pixel: 50 µm
Stampante B: Form 3+
- Dimensione del punto laser: 85 μm
Stampante C: MSLA
- Dimensione dei pixel: 28 µm
- Schermo 8K da 9 pollici
Stampante D: MSLA
- Dimensione dei pixel: 19 x 24 µm
- Schermo 12K da 9 pollici
Accuratezza dimensionale
L'accuratezza dimensionale, cioè la corrispondenza della parte con le misure del file originale, è importante ai fini della ripetibilità e della buona riuscita della parte. Se una stampante non è in grado di produrre la geometria desiderata, le parti non funzioneranno nel contesto a cui sono destinate. L'accuratezza dimensionale è molto importante in applicazioni come i modelli odontoiatrici e ortodontici, in cui la perfetta riproduzione del file scansionato, e quindi dell'anatomia orale, è fondamentale per il successo della procedura.
L'accuratezza viene misurata con calibri, una macchina di misura a coordinate (CMM), uno scanner 3D, calibri a perno o altri test dell'aderenza. Oltre alla dimensione dei pixel o del punto laser, altri aspetti che influiscono sull'accuratezza dimensionale sono temperatura di stampa, ripetibilità meccanica e uniformità ottica.
Come dimostrano le scansioni, una dimensione ridotta dei pixel o del punto laser non determina necessariamente una migliore accuratezza dimensionale. L'accuratezza dimensionale dei modelli dentali è quasi perfetta nel caso delle stampanti con i singoli punti di luce più grandi: il modello dentale realizzato con la Form 4 è più accurato di quello ottenuto con la stampante C, anche se quest'ultima ha una dimensione dei pixel inferiore.
Stampante A: Form 4 (MSLA)
- Dimensione dei pixel: 50 µm
Errore assoluto di misurazione delle dimensioni chiave rispetto al valore ideale: lunghezza (0,72 mm), larghezza (0,22 mm), larghezza del dettaglio sollevato (0,12 mm), lunghezza minima del dettaglio sollevato (0,06 mm)
Percentuale della superficie entro 50 μm dal valore ideale: 95,5%
Stampante B: Form 3+
- Dimensione del punto laser: 80 μm
Errore assoluto di misurazione delle dimensioni chiave rispetto al valore ideale: lunghezza (0,44 mm), larghezza (0,42 mm), larghezza del dettaglio sollevato (0,16 mm), lunghezza minima del dettaglio sollevato (0,09 mm)
Percentuale della superficie entro 50 μm dal valore ideale: 82,1%
Stampante C: MSLA
-
Dimensione dei pixel: 28 µm
-
Schermo 8K da 9 pollici
Errore assoluto di misurazione delle dimensioni chiave rispetto al valore ideale: lunghezza (0,38 mm), larghezza (0,30 mm), larghezza del dettaglio sollevato (0,07 mm), lunghezza minima del dettaglio sollevato (-0,05 mm)
Percentuale della superficie entro 50 μm dal valore ideale: 53,9%
Stampante D: MSLA
-
Dimensione dei pixel: 19 x 24 µm
-
Schermo 12K da 9 pollici
Errore assoluto di misurazione delle dimensioni chiave rispetto al valore ideale: lunghezza (+0,77 mm), larghezza (-0,37 mm), larghezza del dettaglio sollevato (-0,371 mm), lunghezza minima del dettaglio sollevato (-0,052 mm)
Percentuale della superficie entro 50 μm dal valore ideale: 87,2%
Dimensione dei dettagli
Quando parliamo di dimensioni dei dettagli come parametro di prestazione, ci riferiamo alle dimensioni minime dei dettagli, ossia alle dimensioni più piccole che una stampante 3D è in grado di produrre. Questo parametro cambia a seconda che si tratti di un particolare inciso, goffrato, positivo o di un foro o canale negativo. I dettagli possono essere misurati con un semplice test di idoneità, oppure utilizzando calibri, una macchina di misura a coordinate o uno scanner 3D.
Come spiegato in precedenza, dimensione dei pixel e dimensione del punto laser potrebbero sembrare parametri semplici nel caso di dettagli positivi, ma in realtà non esistono stampanti in grado di produrre dettagli positivi della dimensione di un singolo pixel (20 µm, 30 µm, 50 µm o 80 µm). A influenzare le dimensioni minime dei dettagli sono piuttosto temperatura, ripetibilità meccanica e uniformità ottica.
Come dimostrano le foto, la Form 4 consente di ottenere alcune delle migliori dimensioni minime. Tutte le stampanti hanno incontrato difficoltà nel completare l'intera serie di canali negativi, ma la Form 4 e la stampante D hanno prodotto quattro canali su cinque in modo preciso, mentre la Form 3+ e la stampante C ne hanno prodotti solo tre su cinque.
La realizzazione di pareti senza supporti è stata difficile per tutte le stampanti, con diversi gradi di verticalità. Ciascuna stampante ha creato una parete senza supporti perfetta allo spessore massimo e la Form 4 ha continuato a realizzare le quattro pareti successive in modo relativamente verticale. La stampante C e la stampante D hanno creato pareti senza supporti che hanno ceduto completamente con l'assottigliarsi dello spessore. Sebbene queste stampanti abbiano avuto problemi in diversi punti del modello di prova, gli insuccessi non erano correlati alle dimensioni minori o maggiori dei pixel o del punto laser. Si può dedurre che le dimensioni minime dei dettagli dipendono da diversi fattori, tra cui i meccanismi del processo di stampa e le proprietà della resina.
Stampante A: Form 4 (MSLA)
- Dimensione dei pixel: 50 µm
Stampante B: Form 3+
- Dimensione del punto laser: 85 μm
Stampante C: MSLA
- Dimensione dei pixel: 28 µm
- Schermo 8K da 9 pollici
Stampante D: MSLA
- Dimensione dei pixel: 19 x 24 µm
- Schermo 12K da 9 pollici
Semplificazione del dibattito sulla risoluzione nella stampa 3D SLA
Nonostante la facilità con cui le aziende produttrici presentino la dimensione dei pixel come fattore fondamentale che incide sulla risoluzione della stampa 3D, la verità è più complessa (così come l'impatto effettivo).
La risoluzione non dipende solo dalle dimensioni e dalla forma della luce che passa attraverso uno schermo LCD o che viene emessa da un laser o un proiettore di luce, ma anche da PSF della luce, processi di stampa, uniformità meccanica e proprietà ottiche della resina. La risoluzione deve essere considerata come un parametro di input quando si parla dei risultati in termini di finitura superficiale, dimensioni dei dettagli e accuratezza dimensionale. Alla luce di queste informazioni e di questo punto di vista, è possibile valutare quale stampante sia la più adatta alle proprie esigenze specifiche.
Formlabs ha valutato attentamente la combinazione di dimensione dei pixel, velocità, affidabilità e vita utile dei componenti durante la creazione della Light Processing Unit della Form 4. Dal momento che la dimensione dei pixel dello schermo LCD non ha un impatto concreto sui tre principali risultati della risoluzione, avere pixel di dimensioni maggiori non è un compromesso, ma un investimento in potenza e velocità.
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